Grafeenioksidi – ultraäänieksfoliaatio ja dispergointi

Ultraäänieksfoliaatio on laajalti käytetty tekniikka grafeenioksidin valmistamiseen hajottamalla grafiittioksidi ohuiksi, yksi- tai muutamakerroksisiksi grafeenilevyiksi. Hielscherin ultraäänilaitteet synnyttävät voimakasta akustista kavitaatiota, jossa energiatiheät ultraääniaallot tuottavat suurienergisiä mikrokuplia nestemäiseen väliaineeseen. Näiden kuplien luhistuminen synnyttää leikkausvoimia, jotka erottavat grafiittioksidin kerrokset toisistaan ja eksfolioivat ne tehokkaasti grafeenioksidin nanolevyiksi. Hyödynnä suorituskykyistä ultraäänitekniikkaa ja vie grafeenioksidiin perustuva sovelluksesi seuraavalle tasolle!

Grafeenioksidin ultraäänieksfoliaatio

Grafeenioksidi on vesiliukoista, amfifiilistä, myrkytöntä ja biohajoavaa, ja se voidaan helposti dispergoida stabiileiksi kolloideiksi. Ultraäänieksfoliaatio ja dispergointi ovat erittäin tehokas, nopea ja kustannustehokas menetelmä grafeenioksidin syntetisointiin, dispergointiin ja funktionalisointiin teollisessa mittakaavassa. Jatkokäsittelyssä ultraäänidispergaattorit tuottavat suorituskykyisiä grafeenioksidi–polymeerikomposiitteja.

Ultraäänieksfoliaation edut

Ultraäänieksfoliaatio tarjoaa useita etuja, kuten yksinkertaisuuden, skaalautuvuuden ja ympäristöystävällisyyden, sillä se ei yleensä edellytä voimakkaita kemikaaleja tai monimutkaista käsittelyä. Lisäksi se mahdollistaa grafeenioksidin nanolevyjen koon ja paksuuden tarkan hallinnan, mikä on ratkaisevan tärkeää niiden ominaisuuksien säätämiseksi eri sovelluksiin.

Videossa näytetään grafiitin sekoitus ja dispergointi ultraäänellä 250mL:n epoksihartsimäärään (Toolcraft L) ultraäänihomogenisaattorilla (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics valmistaa laitteita grafiitin, grafeenin, hiilinanoputkien, nanolankojen ja täyteaineiden dispergointiin laboratoriossa tai suuren volyymin tuotantoprosesseissa. Tyypillisiä käyttökohteita ovat nano- ja mikromateriaalien dispergointi funktionalisointiprosessin aikana tai hartseihin ja polymeereihin.

Menettelyohje: grafeenioksidin ultraäänieksfoliaatio

Eksfoliaatiomenetelmällä on keskeinen rooli grafeenioksidin (GO) nanolevyjen koon hallinnassa. Tarkasti hallittavien prosessiparametriensa ansiosta ultraäänieksfoliaatio on laajimmin käytetty delaminointitekniikka korkealaatuisen grafeenin ja grafeenioksidin valmistuksessa.
Grafeenioksidin ultraäänieksfoliaatioon grafiittioksidista on saatavilla erilaisia menettelyohjeita. Alla on esimerkki grafeenioksidin ultraäänieksfoliaation menettelyohjeesta:
Grafiittioksidijauhe sekoitetaan KOH:n vesiliuokseen, jonka pH-arvo on 10. Eksfoliaatioon ja sitä seuraavaan dispergointiin käytetään anturityyppistä ultraäänilaitetta UP200St (200W). Tämän jälkeen K+-ioneja kiinnitetään grafeenin perustasoon vanhenemisprosessin käynnistämiseksi. Vanheneminen toteutetaan pyöröhaihdutuksessa (2 h). Ylimääräisten K+-ionien poistamiseksi jauhe pestään ja sentrifugoidaan useita kertoja.
Saatu seos sentrifugoidaan ja kylmäkuivataan, jolloin dispergoituva grafeenioksidijauhe saostuu.
Johtavan grafeenioksidipastan valmistus: grafeenioksidijauhe voidaan dispergoida dimetyyliformamidiin (DMF) ultraäänikäsittelyllä johtavan pastan valmistamiseksi. (Han et al.2014)

Ultraäänieksfoliaatiota käytetään laajalti grafeenin nanolevyjen ja grafeenioksidin valmistukseen. Hielscherin ultraäänijärjestelmät vakuuttavat erittäin tehokkaana, kustannustehokkaana ja nopeana grafeenin synteesitekniikkana, jota käytetään suurten lietevirtojen käsittelyyn ja grafeenin massatuotantoon.
Kuvan lähde: Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.

Grafeenioksidin ultraäänieksfoliaation mekanismi
(Kuva: Potts et al. 2011)

Grafeenioksidin ultraäänifunktionalisointi

Ultraäänikäsittelyä käytetään menestyksekkäästi grafeenioksidin (GO) sisällyttämiseen polymeereihin ja komposiitteihin.
Esimerkkejä:

grafeenioksidi–TiO2-mikropallokomposiitti
polystyreeni–magnetiitti–grafeenioksidikomposiitti (ydin–kuorirakenne)
polystyreenin ja pelkistetyn grafeenioksidin komposiitit
polyaniliininanokuiduilla päällystetty polystyreeni/grafeenioksidi-ydin–kuorikomposiitti (PANI-PS/GO)
grafeenioksidi, jonka kerrosten väliin on interkaloitu polystyreeniä
grafeenioksidi, jota on muokattu aineella nimeltä p-phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyrene

Ultraäänieksfoliaatiolla valmistetun grafeenioksidin sovellukset

Ultraäänieksfoliaatiolla valmistetulla grafeenioksidilla on laajasti sovelluksia eri aloilla. Elektroniikassa sitä käytetään joustavissa johtavissa kalvoissa ja antureissa; energian varastoinnissa se parantaa akkujen ja superkondensaattorien suorituskykyä. Grafeenioksidin antibakteeriset ominaisuudet tekevät siitä arvokkaan biolääketieteellisissä sovelluksissa, kun taas sen suuri pinta-ala ja funktionaaliset ryhmät ovat hyödyksi katalyysissä ja ympäristön kunnostuksessa. Kaiken kaikkiaan ultraäänieksfoliaatio helpottaa korkealaatuisen grafeenioksidin tehokasta valmistusta huipputeknologian sovelluksiin.

Oppikaa valmistamaan laadukasta yksikerroksista grafeenia ultraäänikuorinnalla tehokkaiden anturisonikaattorien avulla. Ultraäänikäsittely on yksinkertainen, tehokas ja skaalautuva menetelmä grafeenidispersioiden valmistukseen suurella saannolla ja erinomaisella grafeenilevyjen laadulla.

Ultraäänilaitteet grafeenin ja grafeenioksidin käsittelyyn

Hielscher Ultrasonics tarjoaa suuritehoisia ultraäänijärjestelmiä grafeenin ja grafeenioksidin eksfoliaatioon, dispergointiin ja käsittelyyn. Luotettavat ultraääniprosessorit ja kehittyneet reaktorit mahdollistavat tarkan hallinnan, jonka avulla ultraääniprosessit voidaan säätää haluttujen tavoitteiden mukaisiksi.
Yksi keskeinen parametri on ultraäänen amplitudi, joka määrittää ultraäänianturin värähtelyyn liittyvän laajenemisen ja supistumisen. Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet tuottavat suuria, jopa 200µm:n amplitudeja jatkuvassa 24/7-käytössä. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavilla räätälöityjä ultraääniantureita. Kaikki prosessorit voidaan säätää tarkasti prosessiolosuhteisiin ja niitä voidaan valvoa sisäänrakennetulla ohjelmistolla, mikä varmistaa luotettavuuden, tasaisen laadun ja toistettavat tulokset.
Hielscherin ultraäänilaitteet ovat kestäviä ja voivat toimia jatkuvasti vaativissa käyttöympäristöissä, mikä tekee ultraäänikäsittelystä ensisijaisen tuotantoteknologian grafeenin, grafeenioksidin ja grafiittisten materiaalien laajamittaiseen valmistukseen.
Laaja ultraäänilaitteiden ja lisävarusteiden valikoima, johon kuuluu erikokoisia ja eri geometrioilla toteutettuja sonotrodeja ja reaktoreita, mahdollistaa optimaalisten reaktio-olosuhteiden ja tekijöiden, kuten reagenssien, ultraäänienergian syötön, paineen, lämpötilan ja tilavuusvirran, valinnan korkeimman laadun saavuttamiseksi. Hielscherin ultraäänireaktorit voidaan jopa paineistaa useiden satojen barg:n paineeseen, mikä mahdollistaa erittäin viskoosisten pastojen ultraäänikäsittelyn niiden viskositeetin ylittäessä 250 000 senttipoisia.
Näiden tekijöiden ansiosta ultraäänidelaminointi ja eksfoliaatio ovat perinteisiä tekniikoita parempia.

Lisätietoja grafeenin ultraäänisynteesistä, dispergoinnista ja funktionalisoinnista saat napsauttamalla tästä:

Hyödyllistä tietoa

Ultraääni ja kavitaatio: miten grafiitti eksfolioidaan grafeenioksidiksi ultraäänikäsittelyllä?

Grafiittioksidin (GrO) ultraäänieksfoliaatio perustuu akustisen kavitaation synnyttämään suureen leikkausvoimaan. Akustinen kavitaatio syntyy vuorottelevista korkean ja matalan paineen jaksoista, jotka aiheutuvat voimakkaiden ultraääniaaltojen kytkeytymisestä nesteeseen. Matalan paineen jaksojen aikana syntyy hyvin pieniä onteloita tai tyhjiökuplia, jotka kasvavat toistuvien matalan paineen jaksojen aikana. Kun tyhjiökuplat saavuttavat koon, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan lisää energiaa, ne luhistuvat rajusti korkean paineen jakson aikana. Kuplien luhistuminen synnyttää kavitaation aiheuttamia leikkausvoimia ja jännitysaaltoja, äärimmäisiä, jopa 6000K:n lämpötiloja, äärimmäisiä jäähdytysnopeuksia, jotka ylittävät 10¹⁰K/s, erittäin korkeita, jopa 2000atm:n paineita, äärimmäisiä paine-eroja sekä nestesuihkuja, joiden nopeus on jopa 1000km/h (∼280m/s).
Nämä voimakkaat voimat vaikuttavat grafiittikerrosten pinoihin, jotka delaminoituvat yksi- tai muutamakerroksiseksi grafeenioksidiksi ja muokkaamattoman grafeenin nanolevyiksi.

Mitä grafeenioksidi on?

Grafeenioksidia (GO) syntetisoidaan eksfolioimalla grafiittioksidia (GrO). Grafiittioksidi on 3D-materiaali, joka koostuu miljoonista grafeenikerroksista, joiden väliin on interkaloitu happea, kun taas grafeenioksidi on yksi- tai muutamakerroksista grafeenia, joka on hapettunut molemmilta puolilta.
Grafeenioksidi ja grafeeni eroavat toisistaan seuraavien ominaisuuksien osalta: grafeenioksidi on polaarista, kun taas grafeeni on poolitonta. Grafeenioksidi on hydrofiilistä, kun taas grafeeni on hydrofobista.
Tämä tarkoittaa, että grafeenioksidi on vesiliukoista, amfifiilistä, myrkytöntä ja biohajoavaa ja muodostaa stabiileja kolloidisia suspensioita. Grafeenioksidin pinnalla on epoksi-, hydroksyyli- ja karboksyyliryhmiä, jotka voivat olla vuorovaikutuksessa kationien ja anionien kanssa. Ainutlaatuisen orgaanis–epäorgaanisen hybridirakenteensa ja poikkeuksellisten ominaisuuksiensa ansiosta GO–polymeerikomposiiteilla on suuri potentiaali monenlaisissa teollisissa sovelluksissa. (Tolasz et al. 2014)

Mitä pelkistetty grafeenioksidi on?

Pelkistettyä grafeenioksidia (rGO) valmistetaan pelkistämällä grafeenioksidia ultraäänellä, kemiallisesti tai termisesti. Pelkistysvaiheessa suurin osa grafeenioksidin happifunktionaalisista ryhmistä poistetaan, jolloin syntyvän pelkistetyn grafeenioksidin (rGO) ominaisuudet ovat hyvin samankaltaiset kuin muokkaamattoman grafeenin. Pelkistetty grafeenioksidi (rGO) ei kuitenkaan ole virheetöntä ja muokkaamatonta kuten puhdas grafeeni.

Kirjallisuus/lähteet

FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
Gouvea R.A., Konrath Jr L.G., Cava S., Carreno N.L.V., Goncalves M.R.F. (2011): Synthesis of nanometric graphene oxide and its effects when added in MgAl₂O₄ ceramic. 10th SPBMat Brazil.
Kamisan A.I., Zainuddin L.W., Kamisan A.S., Kudin T.I.T., Hassan O.H., Abdul Halim N., Yahya M.Z.A. (2016): Ultrasonic Assisted Synthesis of Reduced Graphene Oxide in Glucose Solution. Key Engineering Materials Vol. 708, 2016. 25-29.
Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
Štengl, V. (2012): Preparation of Graphene by Using an Intense Cavitation Field in a Pressurized Ultrasonic Reactor. Chemistry – A European Journal 18(44), 2012. 14047-14054.
Tolasz J., Štengl V., Ecorchard P. (2014): The Preparation of Composite Material of Graphene Oxide–Polystyrene. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology IPCBEE vol.78, 2014.
Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.